CN1711456A - 热交换装置 - Google Patents

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CN1711456A
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瓦尔特·德穆特
马丁·科奇
卡尔-海因茨·施塔法
克里斯托夫·瓦尔特
格里特·韦尔克
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Behr GmbH and Co KG
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Abstract

本发明提供了一种热交换组件，尤其用于带有一种液体致冷剂的汽车空调设备。在一优选实施例中，该液体致冷剂首选为二氧化碳。该热交换组件至少设有一个输入管、一个输出管以及两个热交换组件，该热交换组件具有至少一个分流室和集流室以及一个通流管。此外每个热交换组件至少设有一个分隔件，该分隔件至少可将一个分流室或集流室成分隔成两个分室。同时至少设有一个流体连接器以相互连接热交换组件。此时在流体连接器前面的和后面的流体横截面或其整体之间采用一个预定的比例以便相互容置。

Description

热交换装置
技术领域
本发明涉及一种热交换装置，特别是用于由液体作为致冷剂的汽车空调设备中，该制冷剂的至少一个成分为二氧化碳。
这种热交换装置可用来冷却或冷凝致冷剂。
以下根据一个汽车空调设备例子对本发明和本发明的基本技术问题进行说明，这里需要指出的是，本发明所依据的热交换装置也适合于其它领域。
另外，本发明还涉及一种生产该热交换装置的方法。
背景技术
在现有技术下的汽车空调设备已为人所知，该空调设备应用一种致冷剂来冷却汽车车厢内的空气。该致冷剂含氯氟烃。利用这种致冷剂的空调设备缺点明显，可导致汽车发动机燃油消耗显著增加。此外，该传统致冷剂还极有可能导致温室效应，使用这种致冷剂会加重温室效应的破坏性。基于这个原因，最近常采用二氧化碳致冷剂，跟上述的致冷剂相比，二氧化碳致冷剂可明显降低温室效应。另外二氧化碳是天然气体，对大气中的臭氧不造成损害，利用二氧化碳致冷剂还能够降低汽车的燃油消耗。
在应用二氧化碳作为致冷剂时，它所产生的压力范围相当高，最高可达130bar。这就增加了空调设备中各部件所承受的压力负荷，这就必须提高它们的稳定性。
发明内容
本发明的任务是提供一种相关技术情况得到改善的热交换装置。
按照本发明，根据独立权利要求1的内容解决发明任务，而其它实施例则反映在从属权利要求中。
在一个优选的实施形式中，有一种热交换装置，特别是用于由液体作为致冷剂的汽车空调设备中，该液体至少由一组气体中的一种气体和液体构成，该组气体包括：尤其是二氧化碳、氮气、氧气、空气、氨气、和碳氢化合物，尤其是甲烷、丙烷、n-丁烷；该液体尤其包括水，流体、盐水等；该装置还设有一个输入管和一个输出管，以供该液体输入和输出该装置。在一个优选的实施形式中，二氧化碳作为致冷剂，该物质的化学和物理性能之一就是不可燃性。
另外，按照本发明，该热交换装置至少拥有两个热交换组件，每个热交换组件至少设有一个分流室和一个集流室，及至少一个通流管，液体能够通过通流管在该分流室和集流室之间流动。
另外，各热交换组件至少设有一个分隔件，至少将一个分流和集流室分成两部分。
同时，该热交换装置设有一个流体连接器，与热交换组件相互连接，使致冷剂能在热交换组件之间流动，其中流体横截面，更确切地说流体连接器前面和后面的流体横截面按一个给定的比例相互容置，该比例尤其根据该流体连接器调整。
在一个改进的实施方式中，通流管至少设有一个第一端流体连接段，通过它液体流进或流出该通流管。
此外，通流管设有一个第二端流体连接段，通过它液体流出或流进该通流管。该第一端流体连接段和第二端流体连接段之间通过至少一个管段流体连接。
在本发明中“流体连接”的概念可以理解为：液体能够在两个流体连接段内流动。
此外，另一个优选的实施方式是：上述管段至少有一个直线段，而且优选按总的直线走向，该管段在靠近直线段处有一个或若干扭转段。
在一个首选的实施方式中，上述第一端和第二端流体连接段至少一个端部被扭转至少一次。其中“扭转”的概念可以这样理解：结构元件沿着长度方向按一个给定的角度转动或扭转。其中间轴可以偏移。
在一个首选的实施方式中：通流管至少作为热交换装置的构件，首先用于气态介质如空气的环流。
本发明上述的集流室可理解为一种适于集流至少一种，首选多种组份的被输送介质的装置。而分流室用以分流被导流的液体到达至少一个，优选若干个装置或通流管上。
一个首选的实施方式是通流管至少有一个，首选若干流体通道，以输送致冷剂并优选流体通道是扁管形横截面。
根据本发明扁管形横截面，可理解为该横截面基本上是一个长方形或椭圆形，其中长方形的长边大于短边，椭圆形的长半轴大于短半轴。
一个优选的实施方式是，横截面侧面的流体通道被倒圆。
此外一个优选的实施方式是，设有若干热交换组件，各热交换组件与流体连接器相连。优选该若干热交换组件各由该流体连接器成对连接。
尤其是优选热交换组件总数为n，而流体连接器总数为n-1，也可以在各热交换组件之间设置若干流体连接器。
又一个优选的实施方式是，致冷剂的输入管和输出管布置在两个不同的分流室或集流室上。
一个优选的实施方式是，致冷剂的输入管和输出管沿着分流室和集流室的纵向布置延伸并安装在其上。
又一个优选的实施方式是，设有一个框架，该框架与各热交换组件相互间形成压合连接、形状配合连接和/或材料配合连接。
一个优选的实施方式是，该分流和/或集流室设有定位装置或通流管，其中该定位装置的内部横截面基本上与通流管的外部横截面相配合。首选通流管的外部横截面比定位装置的内部横截面小，以便该通流管，最好若干通流管插入各定位装置或穿过该定位装置。定位装置可以制成套管形式，以便该通流管穿过该定位装置并插入该集流和/或分流室。该定位装置内可同时容置若干扁管。
一个优选的实施方式是，该定位装置基本上是一个矩形或椭圆形，该矩形或椭圆形的定位装置的长边跟分流装置和集流装置的纵向按一个确定的角度布置。
该分流装置和/或集流装置的纵向可理解为一个分流/集流室基本上沿其延伸的方向。
一个优选的实施方式是，该上述确定的角度是指与分流/集流室纵向之间的夹角，在0到90度之间，优选0到45度之间，首选0到10度之间，该定位装置相对于纵向反时针转一个正的角度。
一个优选的实施方式是，若干通流管基本上相互平行布置，即各通流管的扁平部分基本上与其余的通流管扁平部分保持平行。另一个优选的实施方式是，在通流管之间设置有冷却翅片，有益于该热交换组件与空气的热交换。
首选在各通流管之间布置冷却翅片、焊片或薄片等热交换件。
在又一个优选的实施方式中，流体连接器相对分流或集流室的纵向按一个预定的角度布置。该预定的角度在0至90度之间，优选0至45度之间，且首选30度左右。
通过运用分隔件和流体连接器使致冷剂不能立即延伸至热交换装置的总长，而是节段式的或一段接着一段的流过各通流管，以下详细描述。
在一个优选的有益实施方式中，分隔件和流体连接器可以这样布置，首先是气流流过第一输出段，然后流过第二输出段，然后是气流流过第一输入段接着流过第二输入段。也可以选择输出气流段和输入气流段都允许致冷剂流过。
这种实施方式尤其有利，当液体温度在流动路线中发生变化(温度变化过程)时，同时在气体冷却器中，用一种处于超临界范围的液体(CO2)进行致冷，液体温度沿着流路降低。通过连接输入管到热交换组件上的气流输出部分和连接输出管到热交换组件上的气流输入部分，可以保证在液体的总的流路中——从输入到输出——由热交换组件导流的液体和导流的气流之间存在一个可产生最佳驱动的温度差异。此外，通过该布置，所有管的输出端直接与冷却气流相连。
在另一实施方式中，可以在各分流和集流室内插放若干分隔件以产生更多上述隔开段。而且用这种方法，致冷剂时常通过连接被交叉输送。此外也可在两个热交换组件之间设置若干流体连接器，以便致冷剂可经常在各热交换组件之间输入或输出。
在另一优先实施方式中，该接通装置至少由一组材料中的一种物质制成。包括金属尤其是铝、锰、硅、镁、铁、黄铜、铜、锌、锡、钛、铬、钼、钒以及合金，尤其是铝合金掺有硅或镁的成分，硅成分在0至0.7％之间和镁成分在0.1至1％之间，优选0至0.5％之间和首选0.1％至0.4％之间，优选德国材料牌号EN-AW 3003、EN-AW 3102、EN-AW 6060和EN-AW 1100，塑料、纤维加强材料、复合材料等。
在另一个实施方式中，优选设有若干热交换组件，相互之间进行隔热。
隔热可以理解为一种情况：防止所参与的组件之间，例如两个完整的或至少远离的热交换组件之间发生热传递。在另一个实施方式中，可以这样实施热交换组件之间的隔热：分流和集流室相互隔开，且在该室之间形成空气缝隙。
在又一实施方式中，热交换组件借助一个框架保持隔开，可以在热交换组件之间设置一个搭桥状连接，以保持该间隔。
在又一优选实施方式中，在热交换组件之间安装一材料，用以对分流室和集流室之间隔热而且分流室及集流室借助此零件相互间进行材料配合连接。
此外，本发明对一种热交换装置进行调整，该热交换装置尤其是用于汽车空调设备，该空调设备带有气流路线、气流控制元件，至少一个气流输送装置和一个腔室，该腔室可供容置至少一个上述热交换装置且在其内部安装一个这样的换热装置。
本发明首先是对一种热交换装置的调整，尤其用于汽车空调设备，该汽车空调设备至少有一个蒸发器，一个压缩机，一个膨胀阀，一个集流器和至少一个热交换装置。
以下结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1为根据本发明的一个热交换装置的示意图；
图2为本发明所依据装置的通流管示意图；
图3为热交换装置的单面流体连接段示意图；
图4为上述热交换装置中的集流室和分流室示意图；
图4a为沿图4中A-A线的剖面图；
图5为图1的侧视图；
图6为图5中的热交换装置流向示意图；
图7为一个本发明所依据的通流管透视图；
图7a为对图7的流体连接器的另一示意图；
图7b为对图7的流体连接器的又一示意图。
具体实施方式
图1表示的是一个根据本发明的热交换装置。该装置设有一个输入管1和一个输出管2，输入管1接入分流或集流室4b上，以与该室流体连接。分流或集流室可理解为一个基本上按纵向形成的狭长容积元件，该容积元件能够延伸超过本装置的总长l，当设有分隔件时，其长度也可以缩短。图号7表示的是一个液体能够流过的通流管。首选在该热交换装置中布置若干这样的通流管7、7’、7”，在各通流管之间设置有冷却翅片10。
流过该装置或环流该装置的空气的主要方向基本上垂直于液体流体表面，在图1中如箭头p所示。
冷却翅片首先(图中未示)设有鳃片，有助于热交换装置形成湍流。冷却翅片的密度是每分米10至150个翅片。优选每分米45至100个翅片而且尤其首选每分米50至95个翅片。
鳃片长是1毫米至20毫米，优选2毫米至15毫米之间，而且尤其首选3.5毫米至12毫米。鳃片(端口)宽在0.05毫米至0.5毫米之间，优选0.1毫米至0.4毫米之间，而且首选0.2毫米至0.3毫米。
图中分流或集流室4b，分流或集流室5b以及单个或若干这样的分流室和集流室每两个通过通流管7相连成一个热交换组件。如图所示两个热交换组件，分别有自己的冷却翅片或有一个共同的冷却翅片。
图号11表示一个框架，它与集流室和/或分流室至少形状配合连接，压合连接和/或材料配合连接。图号13表示一个通流管，将两个分流或集流室流体连接。
(本发明的等高理解为，输入管和输出管沿一个确定的方向，基本上按等高h布置。等高基本上可以理解为，在相等的高度上，输入管和输出管沿h方向的间距比该装置的高度h要小。优选小于装置高度h的一半，而且首选小于装置长度的1/10。)
分流或集流室4b和5b通过至少一个，优选若干个通流管7相互流体连接。该通流管基本上有一个或若干扁管状横截面的流体通道以输送致冷剂。每个流体通道的横截面呈圆形或椭圆形。
各流体通道的高度在0.2mm至3mm之间，优选0.5mm至2mm之间而且首选0.6mm至1.8mm之间。
水力直径在0.1mm至3mm之间，优选0.4mm至2mm之间而且首选0.6mm至1.8mm之间。
在图1中沿1方向布置的各通流管的间距在2mm至30mm之间，优选4mm至20mm之间而且首选6mm至14mm之间。
图2表示本发明的热交换装置的通流管示意图。
图号23、23’表示第一端流体连接段和第二端流体连接段，图号26表示通流管的一个管段。从图中可以看到，该第一端和第二端流体连接段23、23’各被扭曲一次，图示该扭曲角度大约为90度，原则上可以沿两个方向扭转0至90度，图3中该流体连接段沿同一方向扭曲。
该扭转可在两个不同方向进行。
通流管的宽b在4mm至20mm之间，优选5mm至12mm之间而且首选6mm至9mm之间。该通流管的厚度d在1mm至3mm之间，优选1.2mm至2.2mm之间而且首选1.5mm至2mm之间。
图3表示通流管7在流体连接段23的一个端部图示。在该图中该通流管设有若干流体通道27。
此外图3所示扭转，此处所示的例子是在正Z轴方向，按逆时针对通流管扭转大约90度，也可扭转该角度β-90度。通过该定义，图中表示的流体连接段的端部23和23’有一个角度为90度的扭转角和用一个负扭转角表示的，即-90度的扭转角。
图4表示一个分流室或集流室截面的示意图。该分流室或集流室设有若干定位装置31或31’。该定位装置用于容置通流管7或使通流管7穿过。该定位装置的内部直径基本上与通流管7的末端外部横截面相配合而且优选略大于该横截面直径。在生产中，通流管的末段插进或贯穿该定位装置31和31’。紧接着，定位装置与通流管通过焊接、胶粘结或类似的液体密封相连接。
通流管与集流或分流室的定位装置之间的连接有以下优点，在用二氧化碳制冷时，其能够耐受高压约达到400bar，而且流路在这种高压下仍保持气密或液密。
一个优选的实施方式，是通过流体连接段的末端扭转来决定通流管插入集流或分流室的深度。也可将通流管插入该集流或分流室狭长壁上的管状槽口。插入深度取决于加工过程，材料强度，给定的公差等。插入深度通常在1mm至25mm之间，优选2mm至15mm之间且首选3mm至10mm之间。
各定位装置31和31’沿容置或集流室的纵向l布置，该纵向通过虚线g标明，与纵向成小于10度的角，优选与纵向成0度角即平行布置。该定位装置与纵向按另一个小于90度的角布置。
图4a表示图4中沿线A-A的剖面图。标号35、35’表示夹紧壁用来夹住流体连接段。标号31表示定位装置，如以该剖视图中的缝隙形式表示。从图4a可以明确该流体连接段具有一个Ω形的横截面。
图5表示根据本发明的热交换装置侧视图，符号4a、4b表示组成两个不同热交换组件的集流或分流室。一个优选的实施例是两个集流或分流室不是直接接触而是相互隔开的，通过图号8表明，图号1和2分别表示致冷剂的输入管和输出管，可以想象，该两个热交换组件可以使用公共的波形翅片。
在一个优选的实施形式中，是通过搭桥状的流体连接器13形成集流或分流室的流体连接。
搭桥状可这样理解，流体连接不只是发生在分流装置或集流装置内部，而是基本上同样发生在外部，如图5所示同样发生在上部。
设置分隔件13a和13b，将分流或集流室4a和4b各分成两个隔开的分室a和b或c和d。首先分室a的长度比分室c的短，和/或比分室d长或相等，分室b的长度优选比分室c的小或相等，而分室d的长度优选比分室b和/或c短。
可选择流体连接器13能够与分隔件13a和13b连接，并插入分流或集流室4a和4b所设置的切口中。分隔件在这种情况下，优选与分流或集流室焊接或热合或以其它液体密封方式进行连接。
图7表示一个流体连接/分隔件组件的透视图。图号13a和13b表示该装置中的分隔件。图号41表示流体连接器开口。
图7a和7b还表示图7所示的流体连接/分隔件组件。
涉及图5和图6的有关该热交换装置的流路在以下进行详细解释说明。
致冷剂首先通过输入管1进入分流或集流室4b的分室a，沿着分流或集流室4b的纵向l延伸到达分隔件13b。从此致冷剂通过图中未示的通流管7、7’、7”…向下流，即垂直纸面朝里，由x表示。如图6所示，该流向由在图中右部分的指向下的箭头表示。
在该下部的分流或集流室5b中不设置分隔件，以便致冷剂能够沿总长延伸。在这种情况下，用该室的右部分作为集流室，左部分为分流室。图6中的连续线表示分流或集流室5b。
从下面的分流和集流室5b左段流出的致冷剂通过通流管继续向上，通过在图6左侧向上指的箭头表示。致冷剂到达图5中在b区域的片段，该流向在图5中通过设置成点的符号表示。
从b分室流出的致冷剂通过流体连接器13进入分流和集流室4a中的c部分中。经通流管，致冷剂流进下面的分流和集流室5a(如图6所示)，即致冷剂在图5中沿垂直于纸面流入，在图5中用X符号表示，同样在图6中用向下指的带箭头线段表示。在下面的分流和集流室内致冷剂继续沿着总长延伸并接着通过通流管流进分流和集流室4a内。致冷剂经此处从输出管2流出该装置。
通过这种结构，致冷剂基本上流过一个热交换组件全部的通流管并接着基本上进入第二个热交换组件的全部的通流管，此外，致冷剂基本上不同时流过一个热交换组件的通流管，而是节段式的，该节段由分隔件确定，用这种方式环流，致冷剂能够在通流管总的表面范围达到一个同样的冷却效果。
另外可以布置若干个分隔件和/或若干个通流管，以实现该装置或热交换组件在若干个分隔段导通。更多流体连接器能为其提供多于两个连续布置的热交换组件。

Claims (26)

1、一种热交换装置，用于以一种液体作为致冷剂的汽车空调设备中，其特征在于：该装置
至少设有一个供该液体输入和输出的输入管(1)和输出管(2)；
至少设有二个热交换组件，其中每个热交换组件
至少设有一个分流或集流室(4a、5a、4b、5b)，并且
至少设有一个通流管(7)，其中液体能够流过位于至少两个该分流或集流室(4a、5a、4b、5b)之间的该通流管(7)，而且
至少设有一个分隔件(13a)，该装置至少可将一个分流或集流室分隔成两个分室；
至少设有一个流体连接器(13)，用以连接该热交换组件，使得致冷剂在热交换组件之间能够相互流动，其中流体连接器前和后的流体横截面采用一个给定的比例。
2、根据权利要求1所述的热交换装置，其特征在于：该通流管(7)至少设有一个供致冷剂流出或流入的第一端流体连接段(23)以及至少一个供致冷剂流入或流出的第二端流体连接段(23’)，并且该第一端流体连接段(23)和第二端流体连接段(23’)相互通过至少一个管段(26)流体连接。
3、根据权利要求1所述的热交换装置，其特征在于：该管段(26)至少设有一个直线段。
4、据权利要求1所述的热交换装置，其特征在于：该管段(26)至少设有一个扭转段。
5、根据以上权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于：至少一个流体连接段(23、23’)设有一个扭转段。
6、根据以上权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于：该通流管至少设有一个或若干个用以持续输送致冷剂流体通道(27)。
7、根据以上权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于：设置若干通流管(7)，而且在两个通流管(7)之间设置用于热交换的包括冷却翅片(10)的装置。
8、根据以上权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于：该通流管(7)的横截面是一个扁管形。
9、根据以上权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于：该热交换组件首先由流体连接器(13)成对连接。
10、根据以上权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于：该热交换组件总数为n且该流体连接器总数为n-1。
11、一种热交换装置，其特征在于：其设置若干分隔件(13a、13b)而将分流或集流室分成若干分室。
12、根据以上权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于：致冷剂的输入管(1)和输出管(2)布置在不同的分流或集流室(4a、4b)上。
13、根据以上权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于：致冷剂的该输入管(1)和输出管(2)沿该分流或集流室(4a、4b)纵向延伸并布置在该分流或集流室(4a、4b)上。
14、根据以上权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于：各热交换组件尤其通过一个框架(11)相互间形成压合连接、形状配合连接和/或材料配合连接。
15、根据以上权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于：至少第一端和/或第二端流体连接段(23、23’)按一个给定的角度扭转。
16、根据以上权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于：该扭转角度绝对值在10度和180度之间，优选45度和135度之间，首选80度和100度之间。
17、根据以上权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于：至少设有一个分流和集流室的定位装置(31)，其中该定位装置(31)的内部横截面基本上与通流管(7)的外部横截面相配合。
18、根据以上权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于：该定位装置(31)基本上为一个矩形，且该定位装置(31)较长的边相对该分流和集流室(4a、4b、5a、5b)的纵向按一个给定的角度布置。
19、根据以上权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于：该给定角度值在0度至90度之间，优选0度至45度之间，且首选0度至10度之间。
20、根据以上权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于：若干该通流管(7)基本上相互平行布置。
21、根据以上权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于：该通流管(7)至少由一组材料中的一种材料生产，该组材料包括金属：铝、锰、硅、镁、铁、黄铜、铜、锡、锌、钛、铬、钼、钒并包括合金，德国材料牌号EN-AW 3003、EN-AW 3102、EN-AW 6060、EN-AW 1110，塑料、纤维增强塑料、复合材料。
22、根据以上权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于：设有若干或二个相互隔热的热交换组件。
23、根据以上权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于：至少二个热交换组件借助一个框架(11)装置保持隔开。
24、根据以上权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于：在至少二个热交换组件之间安装一种用于该二个热交换组件间的隔热的材料，而且该二个热交换组件通过该材料进行材料上的配合连接。
25、一种热交换装置，用于汽车空调设备，该空调设备带有气流路线，气流控制元件，至少一个气流供应装置和一个腔室，该腔室中至少可容置或安装一个热交换装置，其特征在于：该热交换装置至少具有上述权利要求之一所述的特征。
26、一种热交换装置，用于空调设备，带有至少一个冷凝器，一个压缩机，一个膨胀阀，一个集流器和至少一个热交换装置的汽车空调设备，其特征在于：该热交换装置是按照上述权利要求之一所述的热交换装置。
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